大型高精度衍射光栅刻划机分度系统重载工作台的宏定位实现方法研究

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	大型高精度衍射光栅刻划机分度系统重载工作台的宏定位实现方法研究
	姚雪峰
学位类型	博士
导师	张尧禹 ; 崔继承
	2018
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位名称	博士
关键词	光栅刻划机机刻光栅研磨加工传动精度测量宏微双重驱动
摘要	随着光谱探测技术的不断发展,光栅因具有优异的分光性能以及可以满足全波段范围的使用要求等优势开始逐渐取代棱镜成为当今世界上应用最为广泛的一种分光器件。美国光栅制作领域的著名专家George R.Harrison教授曾对光栅做出了这样的评价:“我们很难找出另外一种能够像衍射光栅这样可以给众多科学领域提供如此丰富信息的单元器件。”这句评论精辟的概括出了光栅在许多重要科学技术领域都发挥着无法替代的重要作用。从第一块光栅诞生至今已有200余年历史,在此期间光栅制作方法发生了翻天覆地的改变。然而作为最古老的一种光栅制作方法,机刻仍是目前制作某些特种光栅的唯一选择,例如大间距、大深宽比红外光栅以及具有较高分辨本领的中阶梯光栅等等。在天文观测等相关领域为了获得更好的集光能力以及分辨本领,要求以上这两种类型光栅的口径越大越好,解决这个问题的最完美办法就是建造一台有着足够大行程的光栅刻划机,不过随着刻划面积的增加刻划机的建造难度会以几何级数的方式增长,因此建造一台这样光栅刻划机是一件非常具有挑战性的事情。光栅刻划机的运行精度会对光栅的性能指标产生比较大的影响。大行程光栅刻划机分度系统的位置定位精度以及摆角精度会直接影响光栅的衍射波前质量、杂散光水平以及鬼像强度等各项性能指标,要想得到一块性能良好的光栅,需要保证分度系统的运行精度。虽然分度系统采用了宏微双重驱动的设计理念,最终精度是由微定位环节来实现的,但根据相关控制理论可以知道宏定位环节的运行精度同样也是非常重要的。由于大行程光栅刻划机的工作台组件有着非常庞大的质量,要想保证其宏定位环节的运行精度是一件有着相当大难度的事情。于是本论文主要围绕大行程光栅刻划机分度系统重载工作台的宏定位实现方法开展相关的研究工作。论文主要包括以下几方面的内容:第一,大行程光栅刻划机分度系统的总体设计方案以及关键核心部件的设计方法。综合考虑“重载荷”、“高精度”以及“大行程”这三方面因素给出了大行程光栅刻划机分度系统的总体设计方案,并对实现位置定位精度以及摆角精度的丝杠螺母副以及双V形滚柱导轨副进行了详细的设计,提出了一种可实时补偿中径误差以及改善传动精度的开合式螺母结构,优化了滚柱导轨副的滚柱数量,还对双V形滚柱导轨副在实际工作状态下的静力学变形情况进行了有限元分析。第二,丝杠螺母副超精密研磨加工及检测方法研究。为了保证分度系统宏定位环节的位置定位精度,需要对丝杠螺母副采取超精密研磨加工手段。丝杠螺母副的超精密研磨加工需要建立在对精度有着极高要求的误差检测方法之上进行,针对现有的传动精度检测方法不能真实检测出螺母相对于丝杠轴的传动精度这一问题提出了一种可实时消除轴窜误差的传动精度检测新方法,并增加了校正阿贝误差的功能。这种方法有着极高的测量精度,因此非常适合于指导丝杠螺母副的研磨加工工作。第三,双V形导轨副的超精密研磨加工、检测及装调方法研究。分度系统宏定位环节的摆角精度主要是由双V形导轨副来实现的,为了提高双V形导轨副的导向精度,有必要采取研磨加工手段。为了降低加工难度并且提高加工精度,提出了一种先分开加工然后再组合到一起的加工方案。与丝杠螺母副的加工类似,单组导轨的研磨加工同样也需要建立在对精度有着极高要求的误差检测方法之上进行,因此我们提出了一种基于自准直仪的导轨直线性误差检测方法;在后面的组合装调阶段,提出了一种基于激光干涉仪以及自准直仪的导轨间平行性检测方法。由于这两种检测方法均采用了非接触的测量方式,因此可以实现非常高的测量精度。第四,为了验证分度系统宏定位环节的总体运行精度,进行了相关测试。主要对不同刻线密度光栅宏定位环节的运行精度进行了测试,测试结果表明光栅刻划机的分度系统在宏定位环节可以实现很高的位置定位精度以及摆角定位精度,能够满足后续闭环反馈控制对宏定位环节运行精度的要求。
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/61570
专题	中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	姚雪峰. 大型高精度衍射光栅刻划机分度系统重载工作台的宏定位实现方法研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2018.

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大型高精度衍射光栅刻划机分度系统重载工作（23894KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文